DK173088B1 - Fremgangsmåde til fremstilling af chitosan ved deacetylering af chitin under genanvendelse af den ved deacetyleringen anven - Google Patents

Description

i DK 173088 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af chitosan ved deacetylering af chitin under genanvendelse af den ved deacetyleringen anvendte hydroxydopløsning, ved hvilken man 5 a) behandler chitin med en 30-60 vægt%, fortrinsvis 40-55 vægt% natriumhydroxidopløsning ved en temperatur på 50-110°C, fortrinsvis 70-110°C i et tidsrum på 1,5-5 timer til opnåelse af den ønskede grad af deacetylering, 10 b) skiller det dannede chitosan fra reaktionsmediet, som er den nu acetatholdige natriumhydroxydopløsning, c) vasker det fraskilte chitosan en eller flere gange med vand og skiller det vaskede chitosan fra vaskevandet, d) neutraliserer det vaskede chitosan med en stærk mine- 15 ralsyre, og e) vasker det neutraliserede chitosan med vand og tørrer til opnåelse af et færdigt produkt.

Chitosan har en række industrielle anvendelsesmuligheder, f.eks. som fortykkelsesmidler, geleringsmidler, 20 filmdannede midler, ionbyttere og flokkulenter samt som tungmetalbindende midler, suturmaterialer og som sårhelende midler.

Chitin indgår i invertebraters udvendige skelet som strukturmateriale og udgør ca. 25 vægt% af rejeskaller. Re-25 sten udgøres hovedsagelig af CaCO^, men også proteiner og fedtstoffer er til stede.

Råmaterialet ved fremstillingen af chitosan står til rådighed i store mængder, f.eks. i form af skaller fra rejer, hummere og krabber, som forekommer som affaldsproduk-30 ter i fiskeindustrien.

Skallerne forbehandles med en mineralsyre, sædvanligvis saltsyre for at fjerne CaCO^ inden den videre forarbejdning. Angående denne henvises til dansk patentskrift nr. 157 452 B.

35 Chitin er et polysaccharid med uforgrenet kæde bestå ende i det væsentlige af repetitionsenheder af acetyl-D-glucosamin bundet sammen af β-l,4-glycosidiske bindinger, 2 DK 173088 B1 jf. formlen:

CH.OH

-Q- -l\?H %

A NH

c=o * CH,

Molekylvægten af ikke nedbrudt chitin ligger i området 10 fra 1.000.000 til 2.000.000.

Acetylgruppen i repetitionsenheden for chitin kan fraspaltes ved behandling af chitin med en varm, 30-60 vægt% vandig natriumhydroxidopløsning under dannelse af acetationer og chitosan: 15

CH,OH

20 Η NH*

En konkurrerende reaktion ved deacetyleringen er en spaltning af /3-1,4-bindinger, hvorved molekylvægten reduceres. Denne konkurrerende spaltning fremmes af lange be-25 handlingstider, som nødvendiggøres, når der benyttes natriumhydroxidkoncentrationer i den lavere ende af nævnte interval, og endvidere af selv relativt lave koncentrationer af acetat stammende fra forudgående deacetyleringer.

Chitin og chitosan er begge meget voluminøse produk-30 ter, hvorfor der ved en fremgangsmåde som ovenfor defineret skal anvendes i forhold til chitin/chitosan store mængder vandig natriumhydroxid.

Det ved denne fremgangsmåde i trin b) fra chitosan skilte reaktionsmedium består i det væsentlige af en vandig 35 opløsning af natriumhydroxid og -acetat samt proteiner, nedbrydningsprodukter heraf og sæber. Dette reaktionsmedium kan ikke umiddelbart anvendes til gentagne omsætninger af 3 DK 173088 B1 nye mængder chitin, selv ikke hvis natriumhydroxidkoncentrationen skulle have den ønskede værdi, da som ovenfor nævnt acetat fremmer den konkurrerende /3-1,4-spaltning.

Man er således nødt til at kassere en betydelig del af 5 reaktionsmediet, der som ovenfor nævnt forekommer i store mængder i forhold til mængden af produceret chitosan. Af miljømæssige grunde er det udelukket at lede det stærkt alkaliske reaktionsmedium til en recipient, hvorfor man hidtil har måttet neutralisere mediet med en stærk syre, 10 især saltsyre og bortskaffet det stærkt saltholdige neutralisationsprodukt. Denne metode fordyrer naturligvis udøvelse af fremgangsmåden og forhøjer fremstillingsprisen for chitosan, da der for hver produktionscharge skal anskaffes frisk natriumhydroxid samt syre til neutralisa-15 tion af overskud af dette.

Med henblik på formindskelse af forekomst af nedbrydningsprodukter under chitosanfremstillingen foreslår U.S. patent nr. 4 195 175 at behandle chitin under mildere betingelser, idet herved fintformalet chitin behandles med 20 en 35-50 vægt% natriumhydroxidopløsning i vægt/vægtforholdet 1:2 til 1:7 ved 40 til 80°C i 40 til 160 timer i en lukket beholder, fra hvilken luft er uddrevet og erstattet med nitrogen. Det ved deacetyleringen af chitin dannede acetat, hvis indflydelse på /3-1,4-spaltningen ikke omta-25 les, foreslås fjernet fra den brugte natriumhydroxidopløsning ved udkrystallisation under afkøling. Eksempelvis kunne man fra en brugt kogelud indeholdende 27% NaOH og 20%

NaAc ved afkøling til 15°C i 16 timer opnå en opløsning indeholdende 33% NaOH og 9,5% NaAc, der blev genanvendt ved 30 deacetylering af chitin.

Imidlertid bør acetatindholdet i en genbrugslud til det nævnte formål erfaringsmæssigt være betydeligt lavere, ikke over 3-4%, hvis man skal opnå chitosan af ensartet, god kvalitet.

35 Det er derfor hensigten med opfindelsen at tilveje bringe en fremgangsmåde som ovenfor angivet, ved hvilken fremgangsmåde reaktionsmediet kan regenereres på i det væ- DK 173088 B1 4 sentlige acetatfri form og herefter benyttes til gentagne omsætninger af nye mængder chitin, idet herved molekylvægten for det ved de gentagne omsætninger dannede chitosan ikke stadig skal aftage.

5 Det har nu overraskende vist sig, at man ved at sætte en tilstrækkelig mængde af en lavmolekylær, polær organisk forbindelse til det efter en omsætning med chitin fraskilte reaktionsmedium (plus vaskevand fra vask af det producerede chitosan) til opnåelse af et tofasesystem bestående af en 10 i det væsentlige vandig fase og en i det væsentlige organisk fase (hvor hovedmængden udgøres af nævnte lavmolekylære, polære organiske forbindelse), kan opnå at acetat overvejende overgår til den organiske fase, hvorimod størsteparten af natriumhydroxid forbliver i den vandige fase.

15 I overenstemmelse hermed er fremgangsmåden ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at man bl) til det i trin b) for chitosan befriede reaktionsmedium, om ønsket i opblanding med vaskevandet fra trin c) , sætter en tilstrækkelig mængde af en lavmolekylær, 20 polær organisk forbindelse til opnåelse af et tofase system, b2) adskiller tofasesystemet i en første fase, der omfatter hovedmængden af den tilsatte lavmolekylære, polære organiske forbindelse, noget vand og natriumhydroxid, 2 5 og en væsentlig del af det ved deacetyleringen dannede acetat samt andre urenheder, og en anden fase på form af en vandig natriumhydroxidopløsning, der i det væsentlige er befriet for acetat og nævnte andre urenheder, og 30 b3) tilbagefører den anden fase, i hvilken koncentrationen af natriumhydroxid er indstillet til en værdi på 30-60 vægt%, til trin a).

Efter adskillelse af reaktionsmediet fra det voluminøse chitosan i trin b) presses dette hensigtsmæssigt for at 35 fjerne en så stor del af reaktionsmediet som muligt.

I trin c) vaskes det pressede chitosan en eller flere gange med vand for at fjerne uønskede rester af især natri- 5 DK 173088 B1 umhydroxid og -acetat fra produktet. Vaskevandet herfra forenes, eventuelt efter en inddampning, med reaktionsmediet .

Det har vist sig fordelagtigt herefter at vaske chi-5 tosanet med den lavmolekylære, polære organiske forbindelse, eventuelt blandet med vand, hvorefter man hensigtsmæssigt igen kan vaske med vand. En sådan forbindelse har nemlig vist sig at være væsentlig mere effektiv end vand til udvaskning af acetat fra chitosan, og en grundig acetat -10 fjernelse herfra er vigtig, da acetat ved en påfølgende vask med mineralsyre ville danne eddikesyre, der partielt opløser chitosan og medfører filtreringsbesvær.

I overenstemmelse hermed er en foretrukket udførelses-form for fremgangsmåden ifølge opfindelsen ejendommelig 15 ved, at man i trin c) efter en en eller flere gange foretaget vask af chitosanet med vand lader følge eller indskyder vask af chitosanet med den lavmolekylære, polære organiske forbindelse, om ønsket i opblanding med vand, og at man i trin bl) benytter vaskevæsken herfra som kilde for 20 den lavmolekylære, polære organiske forbindelse.

Eksempler på en "lavmolekylær, polær organisk forbindelse" er til C4, og især Cj til C3 mono- og flervalente alkoholer, ethere, estere, aldehyder, ketoner, aminer, amider, halogenerede derivater af disse forbindelser og halo-25 generede carbonhydrider, samt endvidere blandinger heraf. Foretrukket anvendes imidlertid som lavmolekylær, polær organisk forbindelse en alkohol med 1-3 carbonatomer, og heriblandt især ethylalkohol, men også methyl-, n-propyl-og isopropylalkohol kan anvendes.

30 Ethanol danner med ludopløsninger med koncentrationer i området ca. 400-700 g NaOH/1 (ca. 30-47 vægt% NaOH) et velafgrænset tofasesystem. Ved lavere koncentrationer opnås der ikke faseadskillelse, og ved højere koncentrationer er der risiko for dannelse af en vanskeligt brydelig emulsion.

35 Som nævnt indeholder den organiske fase størstedelen af det ved deacetyleringen af chitin dannede acetat. Herudover indeholder den vand og f.eks. ved anvendelse af en 6 DK 173088 B1 lavmolekylær alkohol betydelige mængder vand. Endvidere findes en del natriumhydroxid heri; ved anvendelse af en sådan alkohol f.eks. i en koncentration på omkring det halve af koncentrationen i den vandige fase.

5 Før tilsætning af lavmolekylær, polær organisk forbin delse til blandingen af reaktionsmediet og vaskevand er denne blanding tydeligt uklar og fnugget. Efter tilsætningen dannes der to faser, og de uklarhedsgivende stoffer ekstraheres i det væsentlige overraskende over i den orga-10 niske fase, så denne bliver uklar, mens den vandige natri-umhydroxidholdige fase fremtræder klar og befriet for fnug.

De uklarhedsgivende stoffer er sandsynligvis sæber, uopløselige proteiner eller nedbrydningsprodukter heraf.

Efter afsluttet vask af det fremstillede chitosan med 15 vand, om ønsket derefter med den lavmolekylære, polære organiske forbindelse og med fordel derefter igen med vand, hvorved vaskevandet, eventuelt efter opkoncentrering forenes med reaktionsmediet, sætter man mineralsyre til chi-tosanet for at neutralisere dette. Til slut vaskes endnu en 20 eller flere gange med vand til fjernelse af overskud af salte, og der tørres til opnåelse af det færdige produkt.

Den fraskilte organiske fase kan bortskaffes på enhver hensigtsmæssig måde, f.eks. ved afbrænding. Ved valg af passende betingelser kan afbrændingen foretages på en sådan 25 måde, at den lavmolekylære, polære organiske forbindelse, acetat og andre organiske stoffer afbrændes, hvorimod natriumhydroxid bliver tilbage som et salt, der om ønsket igen kan anvendes i den omhandlede fremgangsmåde. Alternativt, eksempelvis hvis den lavmolekylære, polære organiske 30 forbindelse er halogenholdig, kan den helt eller delvis genvindes ved destillation, og natriumhydroxid kan genvindes fra destillationsremanensen.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen foretages deace-tyleringen af chitin som nævnt ved en koncentration af 35 natriumhydroxid på 30-60 vægt%, foretrukket 40-55 vægt%.

Ved lave natriumhydroxidkoncentrationer vil den med deace-tyleringen konkurrerende spaltning af β-1,4-bindingen blive 7 DK 173088 B1 favoriseret, så der opnås et chitosanprodukt med lav eller for lav molekylvægt. Ved høje natriumhydroxidkoncentrationer, især over 55 vægt%, skal opløsningen holdes opvarmet til undgåelse af udfældelse af natriumhydroxid.

5 Reaktionen mellem chitin og den vandige natriumhy droxidopløsning udføres som nævnt ved en temperatur på 50-110°C, fortrinsvis 70-110°C i et tidsrum på fra 1,5 til 5 timer. En lav reaktionstemperatur medfører forlængelse af reaktionstiden til opnåelse af chitosan med samme deacety-10 leringsgrad. Omvendt favoriserer en høj reaktionstemperatur spaltning af /3-1,4-bindinger i chitin.

Hvis chitosan med en høj molekylvægt og en stor deace-tyleringsgrad ønskes, hvilket er tilfældet hvis chitosanet f.eks. skal anvendes til fiber- eller suturmaterialer, skal 15 reaktionsbetingelserne derfor vælges således, at koncentrationen af natriumhydroxyd er høj, og temperaturen er lav.

Chitosan med en lav molekylvægt opnås ved en forholdsvis lav koncentration af natriumhydroxid i reaktionsmediet.

Et sådant chitosan kan eksempelvis anvendes som håravive-20 rende middel i shampooer og konditioneringsmidler, eventuelt efter at chitosanet er blevet kemisk modificeret, hvis en høj viskositet er uønsket.

For at kunne styre omsætningen af chitin til dannelse af et chitosan med en ønsket kædelængde og deacetylerings-25 grad er det som ovenfor forklaret væsentligt, at reaktionsmediet ikke indeholder for høje koncentrationer af frit acetat og af urenheder.

Ved gentagen anvendelse af samme natriumhydroxidopløsning, der er regenereret ved anvendelse af fremgangsmåden 30 ifølge opfindelsen, kan der ved hver ny charge af chitin arbejdes med samme koncentration af natriumhydroxid og -acetat, således at det er muligt at fremstille et i det væsentlige identisk chitosanprodukt for hver gentagen omsætning .

3 5 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen vil nu blive nærmere belyst ved hjælp af udførelseseksempler.

8 DK 173088 B1 EKSEMPEL 1 200 kg chitin fra rejeskaller, som ved behandling med syre og fiskeindvoldsensilage var befriet for calciumcar-5 bonat og proteinstoffer, som beskrevet i DK patentskrift nr. 157 452 B omsættes med 6000 1 af en vandig 53 vægt% natriumhydroxidopløsning (820 g NaOH/1) ved en temperatur på 105°C i 5 timer.

Reaktionsmediet frafiltreres og det dannede chitosan 10 presses og vaskes to gange med i alt 2000 1 vand, som frafiltreres. Herefter tilsættes under omrøring 200 1 ethanol og 500 1 vand, og der filtreres og presses igen. Der vaskes 3 gange med 2000 1 vand, hvorefter chitosanet neutraliseres ved forsigtigt ved hjælp af HCl at justere pH-værdien til 15 ca. 9 i en kold, vandig opslæmning. Det neutraliserede chitosan vaskes igen med vand og tørres til opnåelse af 140 kg af et chitosanprodukt med en molekylvægt på 1 200 000 og en deacetyleringsgrad på 95%.

Reaktionsmedium forenes med vaskevand (fra før 20 ethanolbehandlingen) og inddampes, indtil koncentrationen af NaOH heri er 650 g/1. Koncentrationen af natriumacetat er ca. 1,2 vægt%. Til den inddampede væske sættes under omrøring vand/ethanol filtreret fra chitosanet. Ved henstand dannes to faser, som adskilles.

25 Den øverste ("organiske") fase indeholder hovedparten af ethanolen og hovedparten af det ved deacetyleringen dannede acetat. Desuden indeholder denne fase en del natriumhydroxid, vand, fedtstoffer og proteiner samt nedbrydningsprodukter heraf. Denne fase afbrændes.

30 Den anden ("vandige") fase er en klar opløsning, inde holdende natriumhydroxid i en koncentration på ca. 650 g/1 og natriumacetat i en koncentration på under 0,3 vægt%. Denne vandige natriumhydroxidopløsning, tilsat natriumhydroxid fra ovennævnte afbrænding af den øverste fase anven-35 des atter til omsætning af chitin som ovenfor beskrevet.

Herved opnås et chitosanprodukt med en molekylvægt på 1 500 000 og en deacetyleringsgrad på 95%.

9 DK 173088 B1

Den samme natriumhydroxidopløsning regenereres som ovenfor angivet og genanvendes yderligere 5 gange til omsætning af chitin. Det efter 5. omsætning opnåede chito-sanprodukt har en molekylvægt på 1 500 000 og en deacety-5 leringsgrad på 95%.

EKSEMPEL 2

Til 4000 kg afdrænede rejeskaller med 20% tørstof (TS) 10 i en vandig opslæmning sættes under omrøring 370 kg 30% saltsyre (HCl).

Efter endt afbrusning, og når alle skaller effektivt er bundfældet, afvandes skallerne ved presning eller centrifugering i en decanter. Rejeskallerne er herved befriet 15 for hovedparten af asken efter syrebehandlingen.

Proteiner, olier og andre organiske stoffer ud over chitin gøres vandopløselige ved kogning af skallerne i en 1,5 M NaOH-opløsning i 2-3 timer. Herefter afvandes skallerne og vaskes igen 4 gange med varmt vand.

20 Med henblik på fjernelse af den sidste del af asken behandles skallerne under omrøring med saltsyre ved en pH-værdi på ca. 1. Herefter afvandes, vaskes og presses skallerne til opnåelse af 525 kg af et produkt med 40% TS, som i det væsentlige udgøres af chitin.

25 Denne våde chitin blandes i en reaktor med 6000 1 vand og 5500 kg NaOH, svarende til 695 g NaOH/1 eller en natriumhydroxidkoncentration på 46,6 vægt%, hvorefter der omrøres i 3 1/2 time ved en temperatur på 80°C.

Reaktionsmediet frafiltreres, og det opnåede chitosan 30 presses. Hertil sættes 2000 1 varmt vand og der omrøres i 10 min. , hvorefter vaskevand frafiltreres, og chitosanet presses. Vask og presning gentages 4-6 gange.

Chitosanet vaskes med koldt vand, og pH i vaskevandet justeres forsigtigt ved tilsætning af stærk mineralsk syre 35 til en værdi på ca. 9.

Chitosanet afvandes, vaskes 2 gange med varmt vand og tørres til opnåelse af et chitosanprodukt med en molekyl- DK 173088 B1 10 vægt på ca. 800 000 og en deacetyleringsgrad på 78%.

Til det fraskilte reaktionsmedium sættes under omrøring 150 1 methanol. Ved henstand dannes to faser, som adskilles .

5 Den øverste fase indeholder hovedparten af methanolen og hovedparten af det ved deacetyleringen dannede acetat. Desuden indeholder denne fase en del natriumhydroxid, vand, fedtstoffer og proteiner, samt nedbrydningsprodukter heraf.

Denne fase afbrændes.

10 Den nederste fase er en klar opløsning indeholdende natriumhydroxid i en koncentration på 700 g NaOH/1. Koncentrationen af natriumacetat er under 0,3 vægt%. Denne fase anvendes til fornyet omsætning af chitin som ovenfor beskrevet, idet der hertil sættes NaOH/Na20 opnået fra 15 afbrænding af den øverste fase, eventuelt sammen med frisk NaOH og eventuelt vand, så væskemængde og koncentration genskabes.

Herved opnås et chitosanprodukt med en molekylvægt på 1 000 000 og en deacetyleringsgrad på 78%.

20 Natriumhydroxidopløsning regenereret på denne måde og anvendt 5 gange giver ved 5. omsætning et chitosanprodukt der i det væsentlige er identisk med chitosanproduktet opnået efter første regenerering.

Det ses, at man ved anvendelse af fremgangsmåden iføl-25 ge opfindelsen i høj grad kan genanvende NaOH og således kan spare udgifter til bortskaffelse af brugt, stærkt basisk reaktionsmedium og endvidere opnå mindre udgifter til anskaffelse af frisk NaOH.

For det ved den omhandlede fremgangsmåde opnåede 30 chitosanprodukt er deacetyleringsgraden i det væsentlige konstant. Molekylvægten er større i produktet fra første regenerering end for produktet opnået ved anvendelse af frisk natriumhydroxidopløsning, men forbliver ved de følgende regenereringer i det væsentlige konstant.

35

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af chitosan ved deacetylering af chitin under genanvendelse af den ved de- acetyleringen anvendte hydroxydopløsning, ved hvilken man 5 a) behandler chitin med en 30-60 vaegt%, fortrinsvis 40-55 vægt% natriumhydroxidopløsning ved en temperatur på 50-110°C, fortrinsvis 70-110°C i et tidsrum på 1,5-5 timer til opnåelse af den ønskede grad af deacetylering, 10 b) skiller det dannede chitosan fra reaktionsmediet, som er den nu acetatholdige natriumhydroxydopløsning, c) vasker det fraskilte chitosan en eller flere gange med vand og skiller det vaskede chitosan fra vaskevandet, d) neutraliserer det vaskede chitosan med en stærk mine- 15 ralsyre, og e) vasker det neutraliserede chitosan med vand og tørrer til opnåelse af et færdigt produkt, kendetegnet ved, at man bl) til det i trin b) for chitosan befriede reaktionsme-20 dium, om ønsket i opblanding med vaskevandet fra trin c), sætter en tilstrækkelig mængde af en lav-molekylær, polær organisk forbindelse til opnåelse af et tofasesystem, b2) adskiller tofasesystemet i en første fase, der omfatt-25 er hovedmængden af den tilsatte lavmolekylære, polære organiske forbindelse, noget vand og natriumhydroxid, og en væsentlig del af det ved deacetyl er ingen dannede acetat samt andre urenheder, og en anden fase på form af en vandig natriumhydroxidopløsning, der i det væ-30 sentlige er befriet for acetat og nævnte andre uren heder, og b3) tilbagefører den anden fase, i hvilken koncentrationen af natriumhydroxid er indstillet til en værdi på 30-60 vægt%, til trin a). 35 12 DK 173088 B1

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at man i trin c) efter en en eller flere gange foretaget vask af chitosanet med vand lader følge eller indskyder vask af chitosanet med den lavmolekylære, polære 5 organiske forbindelse, om ønsket i opblanding med vand, og at man i trin bl) benytter vaskevæsken herfra som kilde for den lavmolekylære, polære organiske forbindelse.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kende -tegnet ved, at man i trin bl) benytter den lavmole- 10 kylære, polære organiske forbindelse i en mængde, som beregnet på mængden af reaktionsmedium og vand stammende fra vask af chitosan før syrebehandlingen, andrager 1-15 vol%, fortrinsvis 2-5 vol%.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1-3, kendeteg-15 net ved, at den lavmolekylære, polære organiske forbindelse er en C13 alifatisk alkohol.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at alkoholen er ethanol.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1-4, kende t eg -20 net ved, at indstillingen af koncentrationen af natriumhydroxid i den anden fase foretages ved inddampning eller ved tilsætning af NaOH på fast form eller på form af en koncentreret vandig opløsning heraf.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1-4, kende t eg -25 net ved, at man ved tilsætning af natriumhydroxid til blandingen af det for chitosan befriede reaktionsmedium og vaskevand før eller under dennes kontakt med den lavmolekylære, polære organiske forbindelse sikrer, at den anden fase ved tilbageføring til trin a) vil indeholde 30-60 30 vægt% natriumhydroxid.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 1-4, kendetegne t ved, at den første fase fra trin b2) underkastes en destillation til genudvinding af den lavmolekylære, polære organiske forbindelse, eller at denne bortskaffes ved af- 35 brænding.